半導体ダイオードは、電気工学や電子工学で広く使用されています。低コストで優れた電力対サイズ比により、同様の目的の真空装置にすぐに取って代わりました。
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半導体ダイオードのデバイスと動作原理
半導体ダイオードは、半導体（シリコン、ゲルマニウムなど）でできた2つの領域（層）で構成されています。一方の領域には過剰な自由電子（n-半導体）があり、もう一方の領域には不足している（p-半導体）-これは、ベース材料をドーピングすることによって実現されます。それらの間に、nサイトからの過剰な自由電子がpサイトからの正孔を「閉じる」（拡散によって再結合が発生する）小さなゾーンがあり、この領域には自由電荷キャリアがありません。順方向電圧を印加すると、再結合領域が小さくなり、抵抗が小さくなり、ダイオードがこの方向に電流を流します。逆電圧では、キャリアフリーゾーンが増加し、ダイオードの抵抗が増加します。この方向には電流は流れません。
電気回路図のタイプ、分類、およびグラフィック指定
一般的な場合、図のダイオードは、電流の方向を示す定型化された矢印として示されます。デバイスの条件付きグラフィックイメージ（UGO）には、2つの結論が含まれています- アノードとカソード、直接接続されて、それぞれ電気回路のプラスとマイナスに接続されます。
このバイポーラ半導体デバイスには多数の種類があり、目的によっては、UGOがわずかに異なる場合があります。
ツェナーダイオード（ツェナーダイオード）
ツェナーダイオードは半導体デバイスですアバランシェ降伏のゾーンで逆電圧で動作します。この領域では、ツェナーダイオードの電圧はデバイスを流れる広範囲の電流にわたって安定しています。このプロパティは、負荷の両端の電圧を安定させるために使用されます。
スタビスター
ツェナーダイオードは、2V以上の電圧を安定させるのに適しています。スタビスタは、この制限を下回る定電圧を得るために使用されます。これらのデバイスを構成する材料（シリコン、セレン）をドープすると、特性の直接分岐の最大の垂直性が実現します。このモードでは、スタビスタが動作し、順方向電圧での電流-電圧特性の直接分岐に0.5〜2Vの範囲の例示的な電圧を出力します。
ショットキーダイオード
ショットキーダイオードは、半導体-金属方式に従って構築されており、従来の接合部はありません。これにより、2つの重要な特性が得られました。
- 順方向電圧降下の低減（約0.2 V）;
- 自己容量の減少による動作周波数の増加。
欠点には、逆電流の値の増加と逆電圧のレベルに対する許容度の低下が含まれます。
バリキャップ
各ダイオードには電気容量があります。コンデンサのプレートは2つの空間電荷（半導体のp領域とn領域）であり、バリア層は誘電体です。逆電圧を印加すると、この層が膨張し、静電容量が減少します。この特性はすべてのダイオードに固有ですが、バリキャップの場合、静電容量は正規化され、特定の電圧制限に対して既知です。これにより、次のようなデバイスを使用できるようになります。 可変コンデンサ さまざまなレベルの逆電圧を供給して、回路の調整または微調整に適用します。
トンネルダイオード
これらのデバイスは、特性の直線部分にたわみがあり、電圧の増加によって電流が減少します。この領域では、差動抵抗は負です。この特性により、トンネルダイオードを30GHzを超える周波数の弱信号増幅器および発電機として使用することが可能になります。
ダイニスタ
ダイニスタ（ダイオードサイリスタ）は、p-n-p-n構造とS字型のCVCを備えており、印加電圧がしきい値レベルに達するまで電流を流しません。その後、電流が保持レベルを下回るまでオンになり、通常のダイオードのように動作します。ダイニスタは、パワーエレクトロニクスでキーとして使用されます。
フォトダイオード
フォトダイオードは、結晶への可視光アクセスを備えたパッケージで作られています。 p-n接合が照射されると、起電力が発生します。これにより、フォトダイオードを電流源（ソーラーパネルの一部として）または光センサーとして使用できます。
LED
LEDの主な特性は、電流がp-n接合を通過するときに発光する能力です。この輝きは、白熱灯のように加熱の強さとは関係がないため、デバイスは経済的です。遷移の直接グローが使用されることもありますが、多くの場合、リン光の点火の開始剤として使用されます。これにより、これまで達成できなかった青や白などのLEDカラーを得ることが可能になりました。
ガンダイオード
ガンダイオードには通常の従来のグラフィック指定がありますが、完全な意味でのダイオードではありません。 pn接合がないためです。このデバイスは、金属基板上のガリウムヒ素プレートで構成されています。
プロセスの詳細に立ち入ることなく、デバイスに特定の大きさの電界が印加されると、電気的振動が発生します。その周期は、半導体ウェーハのサイズによって異なります（ただし、特定の制限内では、周波数を調整できます）。外部要素による）。
ガンダイオードは、1GHz以上の周波数で発振器として使用されます。このデバイスの利点は高周波の安定性であり、欠点は電気振動の振幅が小さいことです。
磁気ダイオード
通常のダイオードは外部磁場の影響を弱く受けます。マグネトダイオードは、この効果に対する感度を高める特別な設計になっています。それらは、拡張されたベースを持つp-i-nテクノロジーを使用して作られています。磁場の作用下で、デバイスの順方向の抵抗が増加し、これを使用して、非接触スイッチング素子、磁場変換器などを作成できます。
レーザーダイオード
レーザーダイオードの動作原理は、特定の条件下での再結合中の電子正孔対の特性に基づいており、単色でコヒーレントな可視光線を放出します。これらの条件を作成する方法は異なります。ユーザーにとっては、ダイオードから放出される波の長さとその電力を知るだけで済みます。
アバランシェダイオード
これらのデバイスは電子レンジで使用されます。特定の条件下で、アバランシェ降伏モードでは、負の微分抵抗を持つセクションがダイオード特性に現れます。 APDのこの特性により、ミリメートル範囲までの波長で動作するジェネレーターとして使用できます。そこでは、少なくとも1ワットの電力を得ることが可能です。より低い周波数では、最大数キロワットがそのようなダイオードから除去されます。
PINダイオード
これらのダイオードは、p-i-nテクノロジーを使用して作られています。半導体のドープされた層の間には、ドープされていない材料の層があります。このため、ダイオードの整流特性が悪化します（逆電圧では、pゾーンとnゾーンが直接接触しないため、再結合が減少します）。しかし、空間電荷領域の間隔により、寄生容量は非常に小さくなり、閉状態では、高周波での信号漏れが実質的に排除され、ピンダイオードをスイッチング素子としてRFおよびマイクロ波で使用できます。
ダイオードの主な特性とパラメータ
半導体ダイオードの主な特徴（高度に特殊化されたものを除く）は次のとおりです。
- 最大許容逆電圧（一定およびパルス）。
- 境界動作周波数;
- 順方向電圧降下;
- 動作温度範囲。
残りの重要な特性は、ダイオードのI-V特性の例を使用して最もよく考慮されます-これはより明確です。
半導体ダイオードのボルトアンペア特性
半導体ダイオードの電流-電圧特性は、順方向と逆方向の分岐で構成されています。ダイオードを流れる電流と電圧の方向は常に一致するため、これらはI象限とIII象限にあります。電流-電圧特性に応じて、いくつかのパラメータを決定できるだけでなく、デバイスの特性がどのような影響を与えるかを明確に確認できます。
伝導しきい値電圧
ダイオードに順方向電圧を印加して増加させ始めると、最初は何も起こりません。電流は増加しません。しかし、ある値では、ダイオードが開き、電圧に応じて電流が増加します。この電圧は導通しきい値電圧と呼ばれ、VACにUthresholdとしてマークされています。それはダイオードが作られている材料に依存します。最も一般的な半導体の場合、このパラメータは次のとおりです。
- シリコン-0.6-0.8V;
- ゲルマニウム-0.2-0.3V;
- ガリウムヒ素-1.5V。
ゲルマニウム半導体デバイスが低電圧で開くという特性は、低電圧回路やその他の状況で動作するときに使用されます。
直接接続のダイオードを流れる最大電流
ダイオードが開いた後、その電流は順方向電圧の増加とともに増加します。理想的なダイオードの場合、このグラフは無限大になります。実際には、このパラメータは、熱を放散する半導体デバイスの能力によって制限されます。特定の制限に達すると、ダイオードが過熱して故障します。これを回避するために、メーカーは最大許容電流（VAC-Imax）を示しています。これは、ダイオードのサイズとそのパッケージによって大まかに決定できます。降順：
- 最大の電流は、金属シース内のデバイスによって維持されます。
- プラスチックケースは中程度の電力用に設計されています。
- ガラスエンベロープ内のダイオードは、低電流回路で使用されます。
金属製の電化製品をラジエーターに取り付けることができます。これにより、消費電力が増加します。
逆漏れ電流
ダイオードに逆電圧を印加すると、感度の低い電流計は何も表示しません。実際、理想的なダイオードだけが電流を流しません。実際のデバイスには電流が流れますが、それは非常に小さく、逆リーク電流と呼ばれます（CVCでは-Iobr）。それは数十マイクロアンペアまたは10分の1ミリアンペアであり、直流よりはるかに少ないです。あなたはそれをディレクトリで見つけることができます。
降伏電圧
逆電圧の特定の値で、ブレークダウンと呼ばれる電流の急激な増加が発生します。トンネルまたは雪崩の特徴があり、リバーシブルです。このモードは、電圧を安定させる（アバランシェ）か、パルスを生成する（トンネル）ために使用されます。電圧がさらに上昇すると、破壊は熱的になります。このモードは元に戻せず、ダイオードは故障します。
寄生容量のpn接合
p-n接合が 電気容量。そして、この特性が有用であり、バリキャップで使用される場合、通常のダイオードでは有害である可能性があります。それでも 容量は単位です または数十pFで、直流または低周波数では感知できず、周波数が高くなるとその影響が大きくなります。 RFでの数ピコファラッドは、スプリアス信号の漏れに対して十分に低い抵抗を作成し、既存の静電容量に追加して回路のパラメータを変更し、出力またはプリント導体のインダクタンスとともにスプリアス共振回路を形成します。そのため、高周波デバイスの製造では、遷移の静電容量を減らすための対策が講じられています。
ダイオードマーキング
金属ケースにダイオードをマークする最も簡単な方法。ほとんどの場合、デバイスとそのピン配置の指定が付いています。プラスチックケースに入ったダイオードには、カソード側にリングマークが付いています。ただし、製造元がこの規則を厳密に遵守しているという保証はないため、ディレクトリを参照することをお勧めします。さらに良いことに、マルチメータでデバイスを鳴らします。
国内の低電力ツェナーダイオードやその他のデバイスには、ケースの反対側に2つのリングのマークまたは異なる色のドットが付いている場合があります。このようなダイオードの種類とそのピン配置を確認するには、参考書を入手するか、インターネットでオンラインマーキング識別子を見つける必要があります。
ダイオードの用途
単純なデバイスにもかかわらず、半導体ダイオードは電子機器で広く使用されています。
- 矯正用 AC電圧。このジャンルの古典であるp-n接合特性は、一方向に電流を流すために使用されます。
- ダイオード検出器。ここでは、I–V特性の非直線性を使用して、信号から高調波を分離することができます。これにより、必要なものをフィルターで区別できます。
- 背中合わせに接続された2つのダイオードは、敏感なラジオ受信機の後続の入力ステージに過負荷をかける可能性のある強力な信号のリミッターとして機能します。
- ツェナーダイオードは、危険場所に設置されたセンサーの回路に高電圧パルスが入らないようにするスパークプルーフエレメントとして含めることができます。
- ダイオードは、高周波回路のスイッチングデバイスとして機能します。それらは定電圧で開き、RF信号を通過させます（または通過させません）。
- パラメトリックダイオードは、特性の直接分岐に負性抵抗を持つセクションが存在するため、マイクロ波範囲の弱い信号の増幅器として機能します。
- ダイオードは、送信または受信機器で動作するミキサーを組み立てるために使用されます。彼らは混合します 局部発振器信号 さらなる処理のために高周波（または低周波）信号を使用します。また、電流-電圧特性の非直線性を使用します。
- 非線形特性により、マイクロ波ダイオードを周波数乗数として使用できます。信号がマルチプライヤダイオードを通過すると、高調波が強調表示されます。次に、フィルタリングによってそれらを選択できます。
- ダイオードは、共振回路の調整要素として使用されます。この場合、p-n接合に制御された容量が存在することが使用されます。
- 一部のタイプのダイオードは、マイクロ波範囲のジェネレータとして使用されます。これらは主にトンネルダイオードとガン効果のあるデバイスです。
これは、デュアル端子半導体デバイスの機能の簡単な説明にすぎません。ダイオードの助けを借りて特性と特性を深く研究することで、電子機器の開発者に割り当てられた多くの問題を解決することが可能です。
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